f İtki Sistemleri: Jet Motorları ve Elektriksel İtki
Kadir Doğan

İtki Sistemleri: Jet Motorları ve Elektriksel İtki

  • Son Güncelleme: 10/02/17 17:34:14
  • 3

Yeni ve en genç yazarımız Kadir Doğan, havacılığın mühendislik kapısından bakıp Kokpit.aero okuyucuları için tekniği sevdirici yazılar kaleme alıyor. 19 yaşındaki Doğan, aynı zamanda Kocaeli Üniversitesi Makine Mühendisliği 1. Sınıf öğrencisi. Havacılık ve Uzay Teknolojileri’nde aerodinamik ve itki sistemleri üzerine çalışıyor.

Ekonomi, özellikle de makro ve uluslararası ilişkiler konularına ilgi duyan Kadir Doğan’a kdrdgn07@gmail.com, Twitter’da @kdrdgn07 adreslerinden ulaşabilirsiniz. Blog adresi ise: https://futureinthesky.wordpress.com/

Bu yazımda İtki sistemlerinden bahsetmek istiyorum. İtki sistemleri konusu oldukça geniş, kapsamlı ve başta Termodinamik olmak üzere birçok farklı alan ile direkt olarak ilgili bir konu.

Öncelikle İtki’nin ne olduğundan yada daha çok ne olmadığından bahsedelim. İtki, kelime anlamı olarak, bir eylemin arkasındaki itici güçtür. İnsani açıdan bakarsak, “Motivasyon” bir çeşit itkidir. Size, hedefinize ulaşmanız için gereken itici gücü sağlar. Tabi bu durum mekanikte birazcık daha farklı.

İnsanoğlu yıllar boyunca birçok itki sistemi geliştirmiş ve hala da geliştirmeye devam etmektir. Uçaklarda kullanılan itki sistemleri Hava Beslemeli (Air Breathing) yani Jet Motorları ve Pervaneli motorlar kullanılır.

Bununla birlikte onlarca farklı itki türü olduğunu da unutmamakta fayda var.

Bu yazımda ben, ilk olarak Hava Beslemeli Motorlardan yani Jet Motorlarından daha sonra da çok daha ilginç ve heyecan verici bir konu dan, Elektriksel İtki den, bahsedeceğim.

JET MOTORLARI

Günümüzde birçok hava aracından jet motoru kullanılmakta. Jet Motorlarının çalışma prensibi genellikle benzerdir. Temel amaç, Atmosferden alınan havanın ısıtılıp yoğunluğunun azıltılması ile birlikte egzozdan (nozzle) dışarıya atılıp itki oluşturulmasıdır. Tabii bu itki de sadece motorun değil egzozun da büyük bir etkisi vardır. Bu etkiyi bir başka yazımda sizlerle paylaşacağım.

Bir çok Jet motoru tipi vardır. (Bu tipleri aşağıdaki resimde görebilirsiniz.) Ben bunların sadece Türbin ve Ram türündekilerine değineceğim.

TÜRBİN TİP JET MOTORLAR

a)TURBOJET

Turbo jet motorlarının genel çalışma prensibi klasik jet motoru mantığıdır. 2 çeşit yaygın turbo jet motoru bulunur. Bunlar Santrifüjlü(Centrifugal) ve Eksen Akışlı (Axial-Flow) Turbo Jetlerdir.

-Santrifüjlü Turbo Jet

Santrifüjlü Turbo Jet motoru temel olarak 3 ana elemandan oluşur. Bunlar Kompresör, Yakıcı (Burner) ve Türbindir. Hava, giriş kanalından (Inlet Duct)  içeriye girer, Kompresör yardımı ile santrifüjlenir bu sayede basınç artırılmış bir şekilde yanma odasına gönderilir. Dar bir kanal yardımı ile yanma odasına gelen santrifüjlenmiş hava, Yanma odasında Jet Motoru yakıtı Kerosan (genelde)  ile birleşip yakılır ve dışarıya doğru atılır ve bu sırada Türbini döndürür. Döndürülen türbin bir şaft yardımı ile kompresöre bağlıdır. Bu sayede Kompresörün etkisini artırır.

Santrifüjsel jet motoru

-Eksen Akışlı Turbo Jet

Eksen Akışlı Turbo Jetin çalışma prensibi Santrifüjlü Turbo Jet motoru ile aynıdır. Aralarında tek bir fark bulunur o da havanın basıncının nasıl artırıldığıdır. Santrifüjlü Turbo jet motorunda hava, santrifüjlenerek basıncı artılır demiştik. Eksen Akışlı Turbo jet de ise durum biraz farklı. Burada kompresör daha farklıdır. Eksen Akışlı Kompresör de 2 farklı dişli mevcuttur. Bunlar “Rotor ve Stator“dur. Rotor döner bir dişlidir, stator ise sabittir. Giren hava bu dişliler yardımı ile girdap oluşturulur ve basıncı artırılır.Basıncı artırılan hava daha sonra santrifüjlü jet motoru ile aynı işlemlerden geçer.

Eksen Akışlı Jet Motoru

+)Hangisi daha verimlidir?

Eksen Akışlı Jet Motorunda Rotor ve Stator dan dolayı tahribat biraz daha fazladır. Bu durum motorun yapısının Santrifüjlü motora nazaran daha çabuk yıpranmasına sebep olur. Ancak buna rağmen Eksen Akışlı Jet motorunda oluşan itki daha fazladır. Santrifüjlü motorun ise boyutu, Eksen Akışlı dan biraz daha büyüktür ve tabi ki boyut arttıkça uçağın “Islak Alanı (Wetted Area)” artar ve buda sürtünmeyi doğrudan artırır. Bu nedenle Eksen akışlı jet motoru daha çok tercih edilir.

b)TURBOFAN

TURBOFAN motor şematiği. Şekilde Mavi oklar soğuk, kırmızı oklar yanmış havayı gösterir.

Turbofan jet motoru da bir çeşit turbojet motorudur. Genelde seyehat amaçlı kullandığımız sivil havacılık uçaklarında turbofan kullanılır. Turbofan 2 fanlı bir turbojet motorudur. Çalışma prensibi turbojet ile aynıdır. Özetle, içeriye hava girer. Kompresör yardımı ile sıkıştırılır ve burner’a gönderilir. Burada Kerosan ile birleşip yakılır. Yakılan hava dışarıya doğru atılırken türbini döndürür. Türbin bir şaft yardımı ile öndeki fanı döndürür. Dönen fan yardımı ile soğuk hava içeriye girer ve yanmadan dışarı atılır. Burada “By-Pass oranı” denilen bir oran vardır. Bu oran turbofan için belirleyicidir. Bypass oranı, yanmayan havanın, yanan havaya oranıdır. Kural olarak, bu oran 6-0.25 arasında olmalıdır. Aynı zamanda, Kullanılan Kerosan da, Havanın 60 da 1’i kadar olmalıdır. Bu sayede sıcaklık ortalama maksimum 2000 F da tutulabilir. Daha yüksek hızlara ulaşmak için uçağın egzozuna Afterburner takılabilir.Bu sayede yanan hava ve yanmayan hava bir kere de afterburner da yakılır.(Afterburner ile ilgili detaylı bilgi için: AFTERBURNER: Muhtelif Yorumlar )

Not: Gördüğünüz gibi turbofan motorunun çalışması için öncelikle bir ateşlemeye ihtiyaç vardır. Bu ateşleme APU denilen Yardımcı Güç Ünitesi yardımı ile yapılır. Yardımcı Güç Ünitelerine bir başka yazımda değineceğim için burada yazmak istemedim.

c) TURBOPROP

Turboprop motorlar, Turbofan motorlara çok benzer. Çalışma prensipleri hemen hemen aynıdır. Tek büyük fark şudur: Turbofan da türbin, şaft yardımı ile türbini döndürür. Turboprop da ise tüm güç pervaneyi döndürmek için kullanılır.

d) TURBOŞAFT

Turboşaft motoru, turboprop ile hemen hemen aynıdır. Turboşaft da yine türbin de oluşan enerji şaft yardımı ile helikopter kanatlarının dönmesine yarar. Turboşaft daha çok helikopterlerde kullanılır.

RAM TİPİ JET MOTORLAR

RAM JET VE SCRAMJET

Ramjet, türbin bazlı jet motorlarından oldukça farklıdır. Ramjetlerın yapısı da türbin bazlı motorlara göre çok basittir. Ramjetler de kompresör  yada türbin bulunmaz. Ramjetler çalışmak için ön hıza ihtiyaç duyarlar. Bu nedenle genelde füze sistemlerinde kullanılır. Ramjetlerin genel çalışma mantığı şöyledir: Sıkışmış hızlı hava (Ses hızından büyük yani M>1) giriş kanalından içeri girer. Ramjetin yapısı dolayısı ile daha fazla sıkışır ve yanma odasında bir kere daha yakıt ile birleşip yanar ve daha sonra dışarıya atılır. SCRamjet ile ramjet arasındaki tek fark, SCramjetin süpersonik hızda yanmasıdır. (M>4)

Geleceğe Kanca: Elektriksel İtki

Şimdi gelelim Elektriksel İtki konusuna. Öncelikle şunu söylemeliyim, elektriksel itki çok kritik ve yüksek bir teknoloji. Bu teknolojiye sahip olan ülkeler, uzay yarışında rakiplerine karşı çok büyük bir avantaja sahip olacaklardır.

Peki nedir bu elektriksel itki?

Basit bir şekilde anlatmak gerekirse Elektriksel İtki sistemlerinde, elektrik kullanılarak, yakıt olarak kullanılan madde önce iyonlaştırılıp sonra o iyonlar hızlandırılıp,  bu sayede itki oluşturulmasıdır.

Bu itkiyi oluştururken birçok farklı yöntem kullanılır. Bu yöntemlerden şuanda üzerinde en çok çalışılanlar Elektrostatik, Elektromanyetik ve Elektrotermal iticilerdir.

Elektrostatik İtki: Bu sistemlerde asıl amaç elektrik alan oluşturup, iyonları itki yönüne doğru hızlandırmayı amaçlamaktadır. Bu şekilde itki oluşturur. Burada yakıt olarak genellikle Xenon gazı kullanılır. Xenon kullanılmasının sebebi, kolay iyonlaşabilmesidir.

Üzerinde en çok çalışma yapılan ve en çok kullanılan Elektriksel itki türü Elektrostatik İtkidir. Özellikle İyon ve Hall iticiler bu alanda örnek verilebilir. Bu iticiler daha çok uzak galaksilere yolculuk yapan uzay araçlarında kullanılır.

İyon İtici

Elektromanyetik İtki: Bu tarz itki sistemlerinde ise temel amaç Elektromanyetik alan yardımı ile yakıttan plazma üretip, bu plazmadan itki oluşturmaktır. Plazma oluşturmak için yakıt iyonizasyona uğrar. Daha sonra oluşturulan manyetik alan yardımı ile bu plazma hızlandırılır ve itki oluşturulmaya çalışılır. Bu konuda en çok çalışma yapılan iticiler ise MPD’lerdir.

MPD İtici

Elektrotermal İtki: Bu itki sistemlerinde ise amaç elektrotermal enerji ile yani radyo dalgaları gibi bazı yollar ile yakıtı plazmaya dönüştürdükten sonra, manyetik alan ile püskürtmektir. Bu konuda en çok bilinen iticiler Arcjet ve Resistojetlerdir.

Elektrotermal İtici

Avantaj-Dezantajları

Elektriksel İtki’nin en çekici tarafı çok çok az yakıt tüketmesi. Buna karşılık oluşan itki de, klasik, tahripli motorlara kıyasla çok düşük.  Çok yavaş bir ivme ile hareket eder ancak yakıt tüketimi az olduğu için çok yüksek hızlara uzun yıllar sürse de ulaşabilir.

Bununla birlikte bu sistemler henüz dünya atmosferinden bir uzay aracını çıkarabilecek kadar itki üretemezler ancak uzayda, sürtünmesiz bir ortamda, çok uzun mesafeler kat edebilir.

Bir diğer problem yukarıda bahsettiğim yöntemleri uygulamak için gereken enerji ihtiyacı. Bu enerjiyi genellikle Güneş panelleri yardımı ile karşılanıyor fakat bu yeterli değil. Çünkü uzayın her yerinde yeterli şiddette güneş ışığı bulunmuyor. İşte bu noktada Nükleer enerji ihtiyacı ortaya çıkıyor. Eğer bir ülke bu konuda nükleer enerji kullanımını başarılı bir şekilde test ederse, işte o gün dünya hatta evren için çok büyük bir değişimin başlayacağını söyleyebiliriz.

Bu konuda siz sayın okuyucularıma da güzel bir haber vermek isterim. Bu konuda çalışmalar yapan sayılı ülkelerden birisi de Türkiye. Tübitak Uzay’ın bu konuda 2010 yılında başlatmış olduğu HALE projesi mevcuttur. Projeye buradan Tübitak-Hale ulaşabilirsiniz.

Bununla birlikte ülkemizde ki birçok akademisyen bu konuda çalışmalar yapmaktadır. Başta İstanbul Teknik Üniversitesi Uzay Bilimleri Fakültesi olmak üzere, birçok üniversitede çalışmalar yapılmaktadır.

Bu teknolojide elde edilecek her başarı, ülkemiz için çok büyük kazanımlara yol açacaktır. Bu sistemin türevlerinin de dünya da kullanılması mümkündür. Elon Musk da bunun farkında olacak ki, Elektrikli jet motoru çalışmalarına başlamış durumda. Kim bilir, belki bir Elon Musk da bu topraklardan çıkar?

(Elektriksel İtki hakkında detaylı bilgi için “Fundamentals of Electric Propulsion by Dan M. Goebel and Ira Katz ” kitabına bakabilirsiniz. Link: Fundamentals Of Electric Propulsion ” )

Kadir Doğan

Gelecek Göklerde!

Referanslar:

Aircraft Performance and Design by J.D. Anderson

Aircraft Design: A Conceptual Approach by Daniel P. Raymer

Tübitak Uzay- Hale (Bkz. http://uzay.tubitak.gov.tr/tr/uydu-uzay/hale )

Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thruster by  Dan M. Goebel and Ira Katz

Kaynak: www.kokpit.aero

Kokpit Aero

Yorum Yap